钙镉互作调控超积累植物镉吸收、转运与积累的作用及其机理

In our previous project supported by NNSFC, we intensively studied the mechanisms of metal hyperaccumulation for Sedum alfredii, a Cd/Zn hyperaccumulator native to China. The Ca has similar distribution pattern as Cd, and plays an important role in the Cd detoxification of the plants. However, the mechanisms of interaction between Cd and Ca and its role involved in Cd hyperaccumulation by S. alfredii are far from known. The aims of this project are to investigate: 1) cellular localization of Cd and Ca in intact roots with exposure to different Cd levels; 2) the possible role of Ca in Cd xylem and phloem transport in S. alfredii; 3) the effect of Ca and channel inhibitor on Cd uptake by protoplasts isolated from the plants of S. alfredii; 4) the in vivo cellular and subcellular distribution of Cd and Ca in Cd-exposed plant samples, and 5) speciation of the metals in the plants of S. alfredii at cellular level. To achieve the goals listed above, we will apply the techniques including Nano-XRF, Nano-XRF-CT, LA-ICPMS, HPF, XAS, patch clamp and isotope labeling. The research of this project may help to better understand the highly effective detoxification machinery that allows the survival of the hyperaccumulator at uniquely high internal metal concentrations, and may facilitate the discovery of remedies for the debilitating effects of metal pollution on human health.

前一个基金项目中，申请者针对我国原生锌镉超积累植物东南景天镉的超积累机理进行了研究，取得了一系列创新结果，并发现钙在其对镉的超积累过程中起重要作用，但钙镉互作机理及其对镉积累的调控作用尚未探明。鉴此，本项目仍以此为材料，拟采用XRF技术原位分析镉、钙在不同根区、根截面的时空分布特征，结合LA-ICPMS、XAS等技术研究镉的木质部与韧皮部运输特征及其与钙的关系；运用同位素示踪与膜片钳技术研究镉的跨质膜运输模式与钙通道的关系；采用HPF结合Nano-XRF技术原位分析镉、钙的亚细胞定位及单细胞三维构象，结合µ-XAS等技术鉴定细胞内镉、钙的赋存形态，明确两者在细胞与亚细胞水平上的区隔位点与赋存形态差异及其与镉积累的关系。通过上述研究，以期深入剖析东南景天中钙镉互作在镉的吸收、转运与积累过程中的调控作用机理，为全面揭示植物镉积累分子机理、提高镉污染土壤植物修复效率奠定基础。

我国大面积镉污染土壤急需修复，对植物重金属超积累特征和机理的深入研究是改良与优化植物修复技术的理论基础。前期研究发现在我国原生的锌镉超积累植物东南景天中，镉的吸收、积累及解毒与钙之间存在密切的交互作用，但其内在机制仍不清楚。为此，项目组以锌镉超积累植物东南景天为材料，采用纳米与微米级同步辐射技术、LA-ICPMS等研究技术，原位解析了超积累植物东南景天对镉的吸收与转运、再分配和跨膜运输特征与钙的关系，明确了植物细胞中镉与钙的区隔位点与赋存形态差异，进而对钙镉互作在超积累植物镉的吸收、转运与稳态平衡调控中的作用及机理进行了深入的剖析，取得的主要创新性结果包括：（1）低钙胁迫可加速超积累生态型东南景天体内镉通过韧皮部运输从衰老或成熟组织向新生组织进行再转移；（2）钙、镉在亚细胞水平上的分布特征基本类似，但也存在一定程度的差异点；（3）超积累生态型东南景天叶片细胞中镉的跨膜运输受到钙通道的调控；（4）东南景天体内钙对镉吸收、储存与再转运的这种调控作用具有一定的专一性。上述结果为进一步探明植物超积累镉的生理生化与分子机制奠定了基础，也为通过农艺调控措施强化东南景天修复镉污染土壤提供了理论参考。相关结果在Plant Physiology、Journal of Experimental Botany等国际权威刊物上发表7篇SCI期刊论文（其中5篇项目负责人为通讯或第一作者）；项目成员参加国际国内学术会议6人次，做大会报告3人次；培养博士或硕士研究生4名，其中已毕业研究生2名。